Razón y ser de los Tipos Estructurales - Eduardo Torroja Miret PDF

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Razón y ser

de los tipos estructurales Eduardo Torroja Miret

Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Razón y ser de los tipos estructurales

Textos Universitarios 13

Eduardo Torroja Miret

Razón y ser de los tipos estructurales

Edición revisada por

José A. Torroja

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS MADRID 2010

Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por ningún medio ya sea electrónico, químico, mecánico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo por escrito de la editorial. Las noticias, asertos y opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, sólo se hace responsable del interés científico de sus publicaciones.

Primera edición, 1957 Segunda edición, 1960 (más once reimpresiones) Tercera edición revisada, 2007. Primera reimpresión, 2010

Catálogo general de publicaciones oficiales: http://www.060.es

Dibujos: G. Echegaray y M. Barbero. Arquitectos © Herederos de Eduardo Torroja Miret © De la presente edición: CSIC ISBN: 978-84-00-08612-1 NIPO: 472-10-075-1 Depósito Legal: Edición al cuidado de Ediciones Doce Calles, S. L.

En esta edición se ha utilizado papel ecológico sometido a un proceso de blanqueado ECF, cuya fibra procede de bosques gestionados de forma sostenible.

Índice Capítulo I Planteamiento general del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo II El fenómeno tensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo III Los materiales clásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo IV Madera y acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo V El hormigón armado, el pretensado y la prefabricación . . . . . . . . . . . Capítulo VI El soporte y el muro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo VII El arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo VIII La bóveda y la cúpula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo IX La viga de alma llena y la placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo X Triangulaciones y mallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XI La contención . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XII La cubierta y el cerramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XIII El piso y el edificio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XIV Puentes y acueductos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XV Funcionalismo estático-resistente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XVI Procesos de ejecución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XVII La expresión estética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XVIII Línea y superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XIX La génesis del esquema estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XX El cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XXI El proyectista y la organización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Índice de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Prólogo En 1957, Eduardo Torroja publica Razón y Ser de los tipos estructurales, libro de difícil catalogación en la literatura técnica sobre ingeniería estructural. No es un libro de texto sobre análisis estructural ni sobre el comportamiento de sus materiales, aunque tiene un profundo carácter didáctico en ambos sentidos. Ni es un libro solamente informativo sobre los tipos estructurales al uso y sus formas. Ni, aún menos, es un libro de investigación. Es, más bien, el conjunto de reflexiones que un proyectista de estructuras expone como esquema de su proceso mental, tanto racional como irracional, o emocional, a la hora de plantearse un nuevo proyecto; del poso de experiencias y vivencias de una vida de trabajo en este campo. En él, Torroja no sólo habla de conceptos técnicos; también habla de sus preferencias estéticas, de las posibilidades formales de determinadas líneas y superficies, de la responsabilidad del proyectista y de su organización... Ingenieros, arquitectos, estudiosos o simplemente interesados por el diseño estructural, encontrarán en sus páginas ideas que capten su atención, y se sentirán atraídos por el cúmulo de conceptos, imágenes, reflexiones y, en definitiva, de enseñanzas y sugerencias que en él se condensan. Razón y Ser, como suele conocerse coloquialmente el libro, tuvo un rápido éxito. A su primera edición, editada por el entonces Instituto Técnico de la Construcción y del Cemento, siguió una segunda, en 1960, corrigiendo alguna errata de la primera –e introduciendo, sin quererlo, algunas nuevas–, a la que Torroja añadió unos párrafos en el capítulo XII, relativos al uso de las mallas tesas en cubiertas, una técnica todavía poco utilizada en su época. Su difusión internacional fue asimismo rápida, viendo la luz ediciones en italiano, alemán y japonés. La prematura muerte del autor, en 1961, impidió que se concretasen contratos de edición en EE.UU., Francia, Polonia y Yugoslavia. En España, cuando el Consejo Superior de Investigaciones Científicas concentró las publicaciones de todos sus Centros, su Departamento de Publicaciones, ante la demanda del libro, siguió realizando hasta once nuevas reimpresiones, todas ellas a partir de aquella segunda edición de 1960. Hace algún tiempo, la Comisión de Libros del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos propuso establecer contactos con el Departamento de Publicaciones del CSIC para realizar una nueva coedición de esta obra, idea a la que se sumó el Centro de Estudios Históricos de Obras Públicas y Urbanismo, del CEDEX, en cuyo «Archivo Torroja» se encontraban los originales de Razón y Ser. El libro que el lector tiene en sus manos es el resultado del esfuerzo conjunto de estas tres instituciones. Como ocurre con frecuencia al plantearse una nueva edición, en particular de un texto de estas características, cabe la duda sobre la pertinencia de realizar su actualización a la realidad de la construcción actual. Mucho ha cambiado esta realidad desde finales de la década de los 50 hasta nuestros días; y seguro que Torroja, si hubiese vivido

veinte años más, habría ampliado el libro con comentarios sobre los nuevos tipos estructurales y procesos constructivos en boga hoy en día. Pero no sabemos lo que habría escrito ni cómo lo habría hecho. Por otra parte, Razón y Ser refleja el pensamiento de un proyectista de estructuras de una determinada época, con unos medios técnicos y hasta con unas sensibilidades estéticas propias de esa época. Por todas estas razones, se ha tomado la decisión de no actualizar el texto, manteniéndolo íntegro sin modificación alguna, corrigiendo las erratas encontradas. Solamente, para ilustrar el texto de los párrafos añadidos por el propio autor en la segunda edición, se han incluido tres nuevas imágenes en el capítulo XII, extraídas de las diapositivas utilizadas por Torroja en sus clases de «Tipología Estructural» en la Escuela de Ingenieros de Caminos de Madrid, así como algunos nuevos pìes de imágenes aclaratorios de su contenido. Estoy seguro de que esta tercera edición revisada, fruto de este esfuerzo editorial a tres bandas, será decisiva para mantener el interés por este libro y, al mismo tiempo, el recuerdo de su autor, Eduardo Torroja.

Cada material tiene una personalidad específica distinta, y cada forma impone un diferente fenómeno tensional. La solución natural de un problema –arte sin artificio–, óptima frente al conjunto de impuestos previos que la originaron, impresiona con su mensaje, satisfaciendo, al mismo tiempo, las exigencias del técnico y del artista. El nacimiento de un conjunto estructural, resultado de un proceso creador, fusión de técnica con arte, de ingenio con estudio, de imaginación con sensibilidad, escapa del puro dominio de la lógica para entrar en las secretas fronteras de la inspiración. Antes y por encima de todo cálculo está la idea, moldeadora del material en forma resistente, para cumplir su misión. A esa idea va dedicado este libro.

I

Planteamiento general del problema

En la literatura técnica de la construcción se encuentran cientos de obras, de carácter teórico, sobre el cálculo de sus estructuras; muy pocas sobre las condiciones generales de sus diferentes tipos, sobre las razones fundamentales que los determinan, sobre las bases que han de orientar el problema de su elección y las ideas rectoras que guían al proyectista en su trabajo inicial, siguiendo principios que, poco a poco, ha ido asimilando su mente, pero en los que rara vez se para a reflexionar. No se trata, en realidad, de decir, en esta obra, nada nuevo sobre el tema. Sólo se pretende acompañar al técnico y proyectista de la construcción –sea arquitecto, ingeniero o simplemente aficionado– en una tranquila divagación por el laberinto, cada vez más enredado, de esta técnica, para espigar, ordenar y recalcar ideas y conceptos fuera de todo lo cuantitativo y numérico. Las teorías rara vez dan más que una comprobación de la bondad o del desacierto de las formas y proporciones que se imaginan para la obra. Estas han de surgir primero de un fondo intuitivo de los fenómenos, que ha quedado como un poso íntimo de estudios y experiencias a lo largo de la vida profesional. De esto y sólo de esto se pretende tratar ahora. El cálculo no es más que una herramienta para prever si las formas y dimensiones de una construcción, simplemente imaginada o ya realizada, son aptas para soportar las cargas a que ha de estar sometida. No es más que la técnica operatoria que permite el paso de unas concepciones abstractas de los fenómenos resistentes a los resultados numéricos y concretos de cada caso o grupo especial de ellos. El asombroso avance, que en las teorías mecánicas de los elementos sustentantes de las construcciones han producido los siglos XIX y XX, hace menospreciar excesivamente el estudio ontológico de la morfología resistente. Todo proyectista que descuide el conocimiento de sus principios, está expuesto a graves fracasos; y el caso es que en las escuelas hay tanto que aprender que rara vez queda tiempo para pensar. Para acertar en la concepción y traza de las estructuras, y aun de las construcciones en general, es necesario meditar y conocer bien las causas profundas, la razón de ser, de su mayor o menor aptitud resistente; y se trata de enfocar, ahora, la cuestión, prescindiendo de todo lo accesorio y, en especial, de todo lo que representa un proceso o un valor numérico; se trata de considerar el problema desde puntos de vista más generales y cualitativos. Porque es absurdo descender a la concreción cuantitativa sin la seguridad de tener encajado el conjunto en sus acertados dominios. Es un error demasiado corriente empezar a calcular la viga número 1 sin haber antes meditado si la construcción debe llevar vigas o no. El empeño es audaz, porque, como decía Confucio, tan inútil es aprender sin meditar, como es peligroso pensar sin antes haber aprendido de otros; y en este caso,

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es raro encontrar, entre la literatura moderna –la de hace unos decenios puede, ya, resultar inútil–, autores que presenten el problema tal como ahora se pretende enfocarlo. Pero, la misma banalidad de estos comentarios, quizá sirva para decidir a otros a hablar y escribir sobre el tema, cubriendo ese bache que acusa la literatura técnica. En todo problema de este género, se tiene una finalidad con unas condiciones esenciales, y otras accesorias, que cumplir; y se tienen unos medios para realizarlo. La finalidad varía enormemente de un caso a otro, pero siempre existe. Construir por construir resulta demasiado costoso para servir de juego a los hombres maduros de ésta y de todas las épocas. No siempre alcanza ese algo; pero construye para algo. Las obras no se construyen para que resistan. Se construyen para alguna otra finalidad o función que lleva, como consecuencia esencial, el que la construcción mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo. Su resistencia es una condición fundamental; pero, no es la finalidad única, ni siquiera la finalidad primaria. Para lo que aquí interesa, las finalidades funcionales primarias podrían agruparse en la siguiente forma: 1.º Aislar un determinado volumen del exterior. O sea, defender ese volumen de los agentes naturales exteriores: viento, lluvia, nieve, ruidos, temperaturas, vistas de otras personas, etc. Desde el punto de vista estructural suelen distinguirse, en este grupo, los muros de cierre y las cubiertas. 2.º Sostener cargas fijas o móviles. Es decir, pontear o establecer una plataforma que permita el paso de personas, vehículos, etc. Son, de una parte, los pisos de los edificios, y de otra, los puentes, viaductos, pasarelas, etc. 3.º Contener empujes horizontales o establecer un paramento, que soporte los empujes de tierras, aguas u otros materiales líquidos, áridos o materias análogas. Son las presas, paredes de depósitos y silos, muros de contención, diques de abrigo, etc. Aparte de los grupos de construcciones establecidos, existen otros de menos generalidad –como pueden ser tuberías, revestimientos de túneles, mástiles, chimeneas, canales, muros de cerca, etc.–, y que no son fáciles de clasificar rígidamente, ni oportuno el hacerlo ahora. La finalidad funcional primaria va siempre acompañada de otras, más o menos obligatorias, que determinan infinidad de variaciones, y que dan personalidad propia a cada caso concreto. Así, por ejemplo, el tablero de un puente carretero ha de presentar superficie lisa y de poca pendiente para permitir el paso de vehículos; si es de peatones, puede ya presentar escalones, aunque no sea lo más conveniente por razones de comodidad. Una vivienda necesita huecos para dar paso a la luz; pero, aun cuando fuese económico con nuevos materiales, puede no convenir que sea continuamente transparente en toda su superficie. Y, así, podrían multiplicarse los ejemplos. Existen, pues, unas condiciones imprescriptibles, otras puramente accesorias o de conveniencia, y unas intermedias absolutamente necesarias cualitativamente, pero que admiten, en lo cuantitativo, un margen mayor o menor. Por un puente colgante, sin viga de rigidez, podrá ser posible el paso como en un tobogán, pero, nadie

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Capítulo I. Planteamiento general del problema

I-1. Acueducto romano, en Segovia. Fotografía: M. García Moya.

admitiría esta solución; sin embargo, una pequeña flecha es bien aceptable. Hasta dónde se acepta la elasticidad del sistema es punto difícil de concretar y está sujeto a opiniones puramente subjetivas. En todos estos casos hay que llegar a un compromiso con las posibilidades técnicas, económicas y otras que se irán comentando. Pero, en cualquier caso, debe subrayarse la gran importancia que tiene el fijar, en cada caso, la finalidad y las características de la construcción propuesta, diferenciando en ellas lo esencial, de lo conveniente, y de lo simplemente accesorio. Por otra parte, toda construcción tiene una función resistente que cumplir. Se emplea aquí la palabra resistente en un sentido lato y poco técnico. Se refiere a todo

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el conjunto de condiciones, necesario para asegurar la inmovilidad total y parcial; es decir, el mantenimiento estático de las formas a lo largo del tiempo. Porque no basta que su resistencia aleje el peligro de rotura. Es necesario también que la construcción sea estable e inmóvil. Una obra puede caerse o volcar sin romperse –que se rompa o no al llegar al suelo es secundario–, puede deslizarse sobre el cimiento, o acomodarse al movimiento de las olas como un barco. Las construcciones que se van a tratar aquí, no deben admitir semejantes movimientos ni resultar deformables como un trampolín. Quizá, en lugar de hablar de una función resistente, sería, pues, mejor hablar, con más generalidad, de una función estática. La función estática es siempre esencial; porque si una cosa, para cumplir su finalidad, no necesita ser resistente y estable, no se la llama construcción; o no entra en las que aquí interesan. La construcción ha de mantener sus características esenciales un cierto tiempo mínimo. Estas características son sólo las geométricas o de forma. Se requiere que los materiales, de que está hecha la construcción, se mantengan frente a todo género de agentes exteriores; es decir, que no sean heladizos los que han de sufrir este agente; que soporten los efectos de las variaciones térmicas, del viento, del agua de mar y de sus olas, las marítimas, etc.; que mantengan sus propiedades aislantes térmicas o sonoras; su color, su masa, etc. En definitiva, se requiere mantener sus propiedades, necesarias o interesantes, frente a cualquier agente al que vaya a estar sometida la construcción. Aun reduciendo el problema estático a lo típicamente resistente, conviene observar que son muchos y muy diversos los tipos de calidad mecánica que se pueden requerir. Primeramente, los materiales han de ser resistentes, en cuanto resistencia represente su aptitud para soportar las solicitaciones mecánicas a que han de estar sometidos en cada zona. Para ello, se requiere conocer esos estados de solicitación. Su deducción, a partir de un conjunto de cargas o fuerzas exteriores, que se toman como dato, y de las características mecánicas (elásticas, plásticas, etc.) del material, constituye la parte más tratada en libros y escuelas técnicas; por eso, en lo relativo a esta cuestión, sólo de los fundamentos o líneas generales se tratará más adelante. Pero, no debe olvidarse que, alrededor del fenómeno de resi...